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第10章 光学高温计测温上限

相信所有人都用过温度计。很多人家里都有用细长玻璃管制成的气温计,下面有一个小玻璃泡,中间灌以染成红色的水银,通过液面升降了解天气冷暖情况。此外,我们发烧感冒时要量一下体温,把体温计含在口中或夹在腋下,便知道自己发烧得有多么厉害。

不过你有没有注意到,这些温度计的最高计量刻度只有50℃,顶多100℃,而很多钢铁厂冶炼炉的温度高达上千摄氏度,足以把矿石熔化,生成通红的铁水,如果用通常的温度计来测量铁水的温度,没等接触到铁水,温度计就会被烤焦变成气体了。那么,炼钢工人如何了解铁水的温度呢?

最早人们在烧窑和冶炼时,只能凭借火焰和被加热物体的颜色来判断温度的高低。当火焰为暗红色时温度较低,随后是鲜红色,橙黄色时温度较高,直到黄白色,而变成蓝白色时温度就更高了。但这种凭经验的方法很不准确,会极大影响冶炼出的钢铁质量。

19世纪,欧洲工业革命促进了钢铁业的发展,迫切需要新的高温测量技术。许多物理学家都致力于热和温度之间关系的研究,用光谱研究了加热物体时辐射能量在光谱紫端的分布情况,发现任何物体只要自身温度高于绝对温度零度,就会向外辐射一定波长的红外线。当物体被加热时,随着温度的升高,发出的辐射会从红外光开始,逐渐向波长较短的方向移动。1879年,奥地利物理学家斯忒藩提出,物体的总辐射只与它的温度有关,与自身材料性质无关;在理想的情况下,辐射与绝对温度的4次方成正比。也就是说,绝对温度每升高1倍,总辐射将增大为原来的16倍。

1893年,德国物理学家维恩与英国物理学家瑞利分别提出了不同波段的辐射能量分布理论。不久,德国科学家普朗克发表了量子理论,揭示了温度与辐射波长的关系。人们根据这些理论,先后发明了辐射温度计、光学高温计和比色温度计等高温测量仪。例如光学高温计利用物体发射的热辐射只与温度有关,与材料无关的原理,通过比较被测对象与不同温度的灯泡光亮度,可以较准确地测定最高6000℃的温度。由于这些测量仪不必直接靠近被测物体,因此称为非接触温度测量仪表。

从20世纪60年代开始,由于红外技术和电子技术的发展,出现了利用各种光敏或热敏检测元件的新型温度测量仪,如用晶体管和光导纤维测温元件制成的测温仪表、利用激光测量物体温度分布的激光测温仪、采用热像扫描方式可直接显示和拍摄被测物体热像图的热像仪,以及利用红外传感器能够非接触测出运动物体表面温度的动态测温仪等。

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